#建科 [物化] 星空瓶-淺談原子模型與電子躍遷理論～①

自然科學板

本篇節錄自建科人30 原作者是建科33物理組長孟浩然就是我另外這還是第一堂UCS聯合社課喔喔喔喔喔(？ >第一部份歷史緒論及電子躍遷 http://i.imgur.com/m1Rezll.jpg 故事要從很久很久以前，一個叫普呂克的人講起~~~ http://i.imgur.com/LlVpbus.jpg 1858年，德國物理學家普呂克(Julius Plücker)，在觀查氣體放電管中的放電現象時發現，正對著陰極的管壁發出綠色的螢光。他將一支空氣含量萬分之一的玻璃管兩端裝上兩根白金絲，並在兩電極之間通上高壓電，便出現了輝光放電(Electric glow discharge)現象普呂克和他的學生希托夫( Hittorf,1824~1914)發現，輝光是在帶負電的陰極附近出現的，在正對陰極的管壁有綠色的螢光。 1858年，普呂克報告了這一現象，可是那輝光的本質到底是不是電流，普呂克還不能確定，他認為可能是稀薄氣體或是電極上脫落下來的金屬。 1876年，德國人哥爾茨坦(Eugen Goldstein,1850~1930)將不同的氣體放入真空管，並且用不同的金屬做電極，但都得到同樣的實驗結果。於是，他認為這種輝光與電流本身有關，並且將它命名為陰極射線。 1879年英國物理學家威廉·克魯克斯（William Crookes）發明一種低氣壓、高電壓的放電管，專門用於陰極射線的實驗。 http://i.imgur.com/2VnJHNt.jpg 到了1897年英國湯木生(Joseph John Thomson)透過實驗測量陰極射線碰撞熱接面以及比較陰極射線發生磁偏轉時所產生的熱量並計算陰極射線的質量。他的結論是，陰極射線是非常輕且帶負電的粒子，而帶負電的粒子是廣布於原子中的建構粒子，他稱此粒子為「微粒」，而微粒就是現在所認識的電子。在這歷史性的大發現之後，他認知到當時道爾頓所提出的原子不可再分割概念是錯誤的；原子中帶有電子，可以從原子中移開。 1904年，湯姆森設計了原子的葡萄乾布丁模型。 http://i.imgur.com/YabsFsR.jpg 在湯姆森模型裏，自由的移動於正價的布丁或雲球之間的電子，為了要維持穩定平衡，會自動地移動於一個圓球面。這圓球面是一系列同心的圓球面中間的一個。假若，一個電子往外移動，離開圓球面，它會感覺到有一股力量將它往球心拉引，因為，在它所處的球面，內部會有更多量的正電荷。所以，它必定會穩定的移動於同一個圓球面。另外，電子與電子之間的排斥作用也提供了更多穩定效應。每一個圓球面有其伴隨的能量。電子從一個圓球面往內躍遷至另一個圓球面，會釋放能量，因而會產生光譜。湯姆森嘗試將模型計算結果匹配幾個重要的譜線，可是並沒有得到顯著的成功。然而，1909年，湯姆森的學生拉塞福和漢斯·蓋革以及歐內斯特·馬士登在英國曼徹斯特大學進行了著名的蓋革－馬士登實驗。實驗是用α粒子束(氦原子核)轟擊真空室中的金箔。假若這梅子布丁模型是正確的，由於正電荷完全散開，而不是集中於一個原子核，庫侖位勢的變化不會很大，通過這位勢的α粒子，其移動方向應該只會有小角度偏差。實驗表明了原子具有核的特徵。 http://i.imgur.com/18DKm1y.jpg 於是乎，拉塞福對這實驗提出了解釋，就是所謂的太陽系模型。他認為大多數的質量和正電荷，都集中於一個很小的區域（原子核），電子則環繞在原子核的外面，像行星的環繞著太陽進行公轉。 http://i.imgur.com/NMznXok.jpg However,學者們發覺拉塞福模型，雖然擁有一些引人欣賞的性質，但也引起一個很嚴重的問題。那就是，由於環繞著原子核的電子，不斷地做加速度運動。根據電動力學(馬克士威古典電磁學)的經典理論(呈加速運動的電荷或隨著時間而變化的電磁場，會產生電磁輻射)，加速度運動中的電子會發射輻射，同時失去能量，造成了原子的不穩定。原子塌陷，世界毀滅啊啊啊啊啊(嘶)~ 馬克士威-安培定律闡明，磁場可以用兩種方法生成：一種是靠電流產生，另一種是靠隨時間變化的電場產生。在電磁學裏，馬克士威修正項意味著時變電場可以生成磁場，而由於法拉第感應定律，時變磁場又可以生成電場。這樣，如果時變電場恰好產生了變化的磁場，則根據這兩個方程式，這種相互產生的電場和磁場（即電磁波）將可以自我持續在空間里傳播。 http://i.imgur.com/C1MRu7r.jpg 1913年丹麥物理學家尼爾斯·波耳提出氫原子結構模型。波耳在行星模型的基礎上引入了普朗克的量子概念，認為原子中的電子處在一系列分立的穩態上。電子只能夠穩定地存在於一系列的離散的能量狀態之中，稱為定態，電子要有任何能量的改變，都必須要在兩個定態之間以躍遷的方式進行；所以電子只能處在一系列分立的定態上，並且不產生電磁輻射。當電子受激發後從高能階躍遷回基態的過程中便會以電磁輻射(光)形式釋放能量。這就是市面上某些螢光材料所應用的原理。 http://i.imgur.com/27dWV0e.jpg http://i.imgur.com/2ULAStb.jpg 電子從較高能階跳至最低的能階 (k = 1)，所釋出的光譜稱為「來曼 (Lyman) 譜線」，為紫外光的波段。電子從較高能階跳至最低的能階 (k = 2)，所釋出的光譜稱為「巴耳摩 (Balmer) 譜線」，為可見光的波段。電子從較高能階跳至最低的能階 (k = 3)，所釋出的光譜稱為「帕申 (Paschen) 譜線」，為紅外光的波段。電子從較高能階跳至最低的能階 (k = 4)，所釋出的光譜稱為「布拉克 (Brackett) 譜線」，也是在紅外光的波段。但波耳模型無法解釋為什麼處於定態中的電子不發出電磁輻射。囧 1924年德布羅意提出物質波理論(物質和光一樣據有波粒二象性)，而運用物質波觀念，當電子運動軌道的周長恰為電子物質波波長整數倍(2πr＝nλ，n＝1、2、3…) 電子則形成駐波，並在特定軌道上運行，電子不會向外輻射能量。 http://i.imgur.com/0JT8UVh.jpg (1)s軌域 <l=0> 角動量子數l=0時稱為s軌域，其形狀為球形對稱，無方向性‚每個主量子數n中各僅有一個s軌域ƒn愈大，ns軌域的電子離核愈遠而能量愈高例如：氫原子在基態時，電子在最低能階(n=1，l=0)的1s軌域，1s電子在距離原子核0.53Å(稱為波耳半徑)處出現機率較大。 (2)p軌域 <l=1> 出現於主量子數n≧2，每一n中，共有3個p軌域‚p軌域的電子，分別在x、y、z三個互相垂直的軸，成啞鈴形狀的分佈，依次稱為px、py、pz軌域。p軌域具有方向性。能量px=py=pz ƒn愈大時，np軌域的電子密度之分佈離原子核愈遠。 (3)d軌域 <l=2> 出現於主量子數n≧3，每一n中，共有5個d軌域‚d軌域具有方向性 ƒ以d軌域為價電子的原子稱為過渡元素，通常具有顏色。 (4)f軌域 <l=3> 出現於主量子數n≧4，每一n中，共有7個f軌域‚f軌域具有方向性ƒ包括鑭系(4f)、錒系(5f)等兩族內過渡元素。 http://i.imgur.com/Xq0qHxi.jpg 【註駐波】網路上定義:為兩個波長、週期、頻率和波速皆相同的正弦波相向行進干涉而成的合成波。與一般波不同，駐波的波形無法前進，因此無法傳播能量，故名之。【補充物質波】物質波又稱德布羅意波(de Broglie wave)，是1923年由法國(歷史系的)物理學家路易‧德布羅意(Louis Victor de Broglie)提出，是指所有粒子都存在波動的特性，例如電子經過雙狹縫會干涉。而物質存在粒子與波動的特性，就是所謂的波動-粒子二相性(wave-particle duality)。其波長λ=h/p=h/mv (h為普朗克常數 p為粒子動量=mv=粒子靜質量*粒子速度) 在巨觀世界中，由於物質的動量太大，因此物質波波長極短，不易被測出；但在微觀世界中，微小粒子的波長較長，便能夠被儀器測量到。德布羅意提出物質波理論後，1927年戴維生與革末以電子束撞擊鎳晶體，實驗數據經過計算後，電子物質波波長與理論值完全吻合，證實了物質波的存在。阿呵呵呵這是第一部分排版抱歉然後軌域部分沒有講的很詳細以後有機會再發一篇專門講軌域的嗯哼